Розвиток методики визначення складу шихти для виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах
The possibility of increasing the efficiency of regulating the content of chemical elements in cast iron, which is smelted in induction crucible furnaces, by taking into account the instability of the chemical composition of the charge components is realised. The ideology and algorithm for determini...
Saved in:
| Date: | 2023 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2023
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/13 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Metal and Casting of Ukraine |
| Download file: |  |
Institution
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1871465382941818880 |
|---|---|
| author | Сіренко, Катерина |
| author_facet | Сіренко, Катерина |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Катерина Сіренко",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
}
] |
| author_sort | Сіренко, Катерина |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T12:09:42Z |
| description | The possibility of increasing the efficiency of regulating the content of chemical elements in cast iron, which is smelted in induction crucible furnaces, by taking into account the instability of the chemical composition of the charge components is realised. The ideology and algorithm for determining the mass of charge components for cast iron smelting are formulated, which are based on taking into account probabilistic estimates of the distribution of chemical elements in the composition of the components and the application of the Monte Carlo method to take into account the instability of the content of chemical elements in the charge. Problems related to the supply of scrap metal and other metal raw materials to foundries and their use in cast iron smelting are considered. The results of the study of the distribution of chemical elements in the composition of ferromanganese and ferrosilicon, which are used in the charge in the smelting of cast iron intended for the manufacture of brake pads and “Khanin wedge” of railway transport, are given. A methodology has been developed for taking into account the probabilistic aspect of the instability of the chemical composition of scrap metal, ferroalloys, and other components of the charge in determining their number. Criteria of optimization (optimality) of the process of adjusting the chemical composition of cast iron during its smelting have been developed, which involve the use of “weighting factors” of the content of each chemical element in cast iron and allow taking into account their impact on casting quality and technical and economic performance. It is proposed to provide the highest weights of silicon and manganese in the smelting of cast iron intended for the manufacture of these foundries. It is recommended to predict and take into account the degree of burning of elements in the process of cast iron smelting at the stage of charge formation. The approximate composition of the charge for smelting synthetic cast iron for the purpose and the order of loading charge materials into induction crucible furnaces are determined. The main goals and objectives at the current stage of development of foundry production in terms of improving the technology, procedure, order, algorithm for regulating the chemical composition of synthetic cast iron during its smelting are to reduce the cost of casting. In particular, due to the introduction in practice of methods for adjusting the content of chemical elements in the cast iron melt and taking into account in the probabilistic aspect of the instability of the quality of the charge components, especially ferroalloys and scrap metal. |
| first_indexed | 2026-03-12T15:49:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
20 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
ву непостійності хімічного складу матеріалів, з яких
формується шихта для виплавлення чавуну. Шихта
для виготовлення чавуну, а далі литва відповідаль-
ного призначення, значною мірою впливає не тіль-
ки на якість продукції, а й на техніко-економічні по-
казники її виробництва. Небезпека при виплавленні
ливарного чавуну пов’язана з наявністю домішкових
хімічних елементів в металобрухті, частка якого у
шихті найбільша. Саме тому створювати умови для
виготовлення литва заданої якості необхідно ще на
стадії підготовки шихти для виплавлення чавуну. Це
завдання потребує постійного вдосконалення мето-
дики визначення оптимального складу компонентів
шихти з максимально можливим врахуванням їх по-
ходження і реальних властивостей. В першу чергу за-
значене стосується металобрухту та феросплавів у
складі шихти. Діюча практика вирішення зазначеної
задачі на виробництві потребує вдосконалення, і ця
тема актуальна [1].
В технічній літературі є інформація щодо методо-
логії прогнозування якості розплавів чавунів та сталей
різного сортаменту за результатами першого хімічно-
О
сновним напрямом подальшого розвитку ви-
робництва високоякісного ливарного чавуну є
перехід на виплавлення його у електричних ін-
дукційних печах. При цьому висока якість чавуну
забезпечується шляхом впровадження ефективних
технологічних рішень, що передбачають оптимізацію
складу шихтових матеріалів і температурних режимів
плавки, створення умов, необхідних для формування
заданих структури, механічних властивостей, служ-
бових характеристик чавунного литва. В зазначеній
послідовності домінуючим фактором, який надає під-
стави формування необхідної мікроструктуру чавуну і
готових виробів, є його хімічний склад. При виробни-
цтві чавуну з жорсткими вимогами до хімічного скла-
ду, механічних і експлуатаційних характеристик, на-
приклад призначеного для виготовлення гальмових
колодок рухомого складу залізничного транспорту,
постає задача тонкого регулювання вмісту хімічних
елементів безпосередньо у розплаві металу, який ви-
плавляється в електричних тигельних печах. Ключо-
вим питанням при вирішенні цієї задачі є виявлення
і врахування в реальних промислових умовах впли-
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022, № 2 (329), 20-29
https://doi.org/10.15407/scin15.04.005
УДК 621.74:669.13.017
К.А. Сіренко, мол. наук. співр., e-mail: thermoexp.metal@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-2613-8094
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)
Розвиток методики визначення складу шихти для
виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах1
Реалізовано можливість посилення ефективності регулювання вмісту хімічних елементів у чавуні, що виплав-
ляється в індукційних тигельних печах, шляхом врахування нестабільності хімічного складу компонентів шихти.
Сформульовано ідеологію і алгоритм визначення маси компонентів шихти для виплавлення чавуну, які засно-
вані на врахуванні ймовірнісних оцінок розподілу хімічних елементів у складі компонентів і застосуванні методу
Монте-Карло для врахування нестабільності вмісту хімічних елементів у шихті. Розглянуто проблеми, пов’язані з
постачанням металобрухту та іншої металевої сировини на ливарні підприємства і використанням їх при виплав-
ленні чавуну. Наведено результати дослідження розподілу хімічних елементів у складі феромарганцю і фероси-
ліцію, які використовують в шихті при виплавленні чавуну, призначеного для виготовлення гальмових колодок та
«клину Ханіна» залізничного транспорту. Розвинуто методику врахування в ймовірнісному аспекті нестабільності
хімічного складу металобрухту, феросплавів, інших компонентів шихти при визначенні їх кількості. Розроблено
підходи до оптимізації процесу коригування хімічного складу чавуну при його виплавленні, які передбачають за-
стосування «коефіцієнтів вагомості» вмісту кожного хімічного елемента у складі чавуну і дозволяють враховувати
їх вплив на якість литва і на техніко-економічні показники його виробництва. Запропоновано при виплавленні
чавуну, призначеного для виготовлення зазначених ливарних виробів, надавати найбільші коефіцієнти вагомості
кремнію і марганцю. Рекомендовано ступінь угару елементів у процесі плавки чавуну прогнозувати і враховувати
ще на стадії формування шихти. Визначено орієнтовний склад шихти для виплавлення сірого чавуну відповід-
ного призначення і порядок завантаження шихтових матеріалів в індукційні тигельні печі. Головні цілі й завдання
на нинішньому етапі розвитку ливарного виробництва в частині удосконалення технології, порядку, процедури,
алгоритму регулювання хімічного складу чавуну при його виплавленні полягають у зменшенні собівартості литва.
Зокрема й за рахунок впровадження на практиці методів коригування вмісту хімічних елементів у розплаві чавуну
та врахування у ймовірнісному аспекті нестабільності якості компонентів шихти, насамперед феросплавів і ме-
талобрухту.
Ключові слова: чавун, плавка, шихта, металобрухт, феросплави.
1Роботу виконано під керівництвом В.Л. Мазура, чл.-кор. НАН України, д-ра техн. наук, проф., гол. наук. співр., e-mail: prof.vlm@ukr.net
21ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
Незважаючи на наявність беззаперечно пози-
тивних рис методик прогнозування якості розплавів
ливарних сплавів, викладених в роботах [2, 4–5],
можливості їх удосконалення не є вичерпаними. В
статтях [6–7], наприклад, представлена дещо інша
ідеологія коригування хімічного складу чавуну безпо-
середньо в процесі його виплавлення. Запропонова-
но напрям удосконалення методики корекції хімічного
складу чавуну при виплавленні в електричних тигель-
них печах, яка передбачає врахування в ймовірнісно-
му аспекті нестабільності матеріалів, що додаються
у розплав при коригуванні в ньому конкретних хіміч-
них елементів за результатами експрес-аналізу проб
металу, відібраних з розплаву. Алгоритм визначення
необхідної кількості легувального матеріалу для вне-
сення у розплав при коригуванні вмісту конкретного
хімічного елемента, представлений у статтях [6–7],
передбачає застосування методу Монте-Карло [8]
для врахування ймовірнісних оцінок вхідних даних
відносно нестабільності властивостей (вмісту хіміч-
них елементів) матеріалів, які використовують для
регулювання складу чавуну. Очевидно, що такий
підхід раціонально використовувати і при визначен-
ні конкретної кількості компонентів у шихті з враху-
ванням вартості і наявних на ливарному підприємстві
металобрухту, феросплавів, карбюризаторів, інших
легуючих матеріалів.
Зазначену тему будемо розглядати далі пере-
важно на прикладі синтетичного сірого чавуну, при-
значеного для виготовлення гальмових колодок і
«клину Ханіна» залізничного транспорту. При цьому
під поняттям «синтетичний чавун» будемо розуміти
сплав, синтезований з простих за складом компонен-
тів – вуглецю, заліза, сталевого металобрухту, феро-
сплавів тощо [5, с. 180]. При розгляді методики визна-
чення шихти для виплавлення чавуну в індукційних
тигельних печах перш за все зазначимо, що задача
прогнозування вмісту хімічних елементів у складі ча-
вуну на підставі кількісного розрахунку необхідних
компонентів шихти значно складніша ніж регулюван-
ня хімічного складу розплаву чавуну, який коригують
за результатами контролю вмісту хімічних елементів
у металі відібраної з розплаву проби. При цьому, на-
бір матеріалів (феросплавів, карбюризаторів), які ви-
користовують для регулювання вмісту хімічних еле-
ментів в чавуні, є заздалегідь відомим. Тобто умови
для вирішення задачі забезпечення заданого вмісту
хімічного складу розплаву чавуну є повністю визна-
ченими і саму задачу можна кваліфікувати як задачу
з повною інформацією.
Визначення шихти для виплавлення чавуну зада-
ного хімічного складу є задачею з неповною вхідною
(початковою) інформацією. Перш за все, невизначе-
ність стосується основного компоненту шихти – мета-
лобрухту, його хімічного складу, забрудненості, вмісту
в ньому шлаку, окалини тощо. На практиці насипна ва-
га сталевого брухту складає 0,35...0,5 т/м3. По-друге,
невизначеність задачі пов’язана з технологією плавки.
А саме, треба відрізняти процес виплавлення чавуну
в умовах наявності залишків рідкого металу в печі, так
званого «болота», від плавки, яка відбувається без
го аналізу металу у виливках та комп’ютерного роз-
рахунку шихти. Так у ґрунтовних роботах [2–3 та ін.]
М.М. Ямшинського достатньо докладно представле-
но розроблені методологію, алгоритми, програмне
забезпечення щодо прогнозування властивостей роз-
плаву жаростійких та зносостійких ливарних сплавів,
зокрема, хромомарганцевих чавунів та хромоалюмі-
нієвих сталей, за результатами хімічного аналізу про-
би металу, відібраної із розплаву у процесі плавки.
Гідність запропонованого підходу полягає в його сис-
темності та багатогранності.
Забезпечення заданого хімічного складу будь-
якого металевого сплаву завжди починають з розра-
хунку шихти для його виплавлення. При цьому вико-
ристовують інформацію з попередньо сформованих
баз даних відносно хімічного складу сталевого брухту
різних марок, якості та вартості феросплавів тощо.
Представлена в роботі [2] комп’ютерна програма має,
на думку її автора, надавати технологу можливість
перевіряти правильність розрахунку шихти за вміс-
том усіх елементів у хімічному складі сплаву, що роз-
глядається. При відхиленні вмісту якогось елемента
від заданих меж технолог здійснює перерахунок і,
якщо потрібно, то змінює вихідні дані. Слід погодити-
ся з автором роботи [2], що запропонована методика
надає можливість прогнозування хімічного складу ча-
вуну чи сталі в багатовимірному просторі незалежних
змінних величин і реалізувати «властивості динаміч-
ності, багатофакторності та стохастичності».
Стосовно перспектив подальшого розвитку цієї те-
ми, то доцільно зазначити наступне.
Судячи з тексту роботи [2] і навіть зважаючи на
згадування про можливість реалізувати в запропоно-
ваних імітаційних моделях властивості стохастичності
ця тема, схоже, всебічно ще не опрацьована. Зокре-
ма відносно врахування у вірогіднісному форматі не-
стабільності хімічного складу матеріалів, які входять
у шихту і використовуються для корекції хімічного
складу розплаву чавуну або сталі, є певні труднощі. У
промисловій практиці складно заготовляти потрібний
для виплавки конкретного чавуну сталевий брухт з
декількох десятків його марок [4].
В роботі [5, с. 158] зазначено, що при розрахунках
складу шихти для виплавлення чавуну використову-
ють різні методи – аналітичний, графічний, графо-
аналітичний та метод підбору. У вигляді прикладу в
цій роботі розглянуто розрахунки складу шихти для
виплавлення чавуну з використанням методу ліній-
ного програмування. За критерій оптимальності при-
ймалася мінімальна вартість шихти. Слід зазначити,
що при позитивному відношенні в цілому до цього
критерію визначення оптимального складу шихти він
ніяк не враховує фізико-хімічні характеристики ком-
понентів у її складі, які мають вирішальний вплив на
техніко-економічні показники процесу плавки чавуну
та на якість і, відповідно, вартість ливарної продук-
ції, виготовленої з чавуну. В результаті при такому
критерії оптимальності складу шихти може виникати
ситуація, коли вартість шихти буде мінімальною, але
собівартість ливарних виробів мінімальною не буде,
внаслідок завищених витрат на виплавку чавуну.
22 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
залишків у ній розплаву. Згідно з даними монографії
[4, с. 28–29] в процесі виплавки чавуну при наявнос-
ті в печі залишку рідкого металу (такий процес біль-
ше розповсюджений на практиці) необхідно, в першу
чергу, завантажувати у піч карбюризатор і сталевий
брухт. Після їх розплавлення слід завантажити чавун-
ний брухт, якщо передбачено його використання, та
відходи, зворот власного виробництва, який фактично
також є брухтом чавуну. Феросплави необхідно вноси-
ти у розплав в останню чергу, бажано в процесі його
перегріву при інтенсивному перемішуванні рідкого ме-
талу. Відповідно співвідношення маси залишку рідко-
го металу («болота») і маси шихти, яка завантажуєть-
ся у піч, склад шихти, маса її порцій, розміри окремих
кусків металобрухту тощо, впливають не тільки на
енергетичні втрати, температурний режим плавки, а й
на вміст хімічних елементів у чавуні.
Сучасні індукційні тигельні печі промислової час-
тоти працюють з повним зливом розплаву (без «боло-
та»). При виплавленні чавуну в піч спочатку заванта-
жують зворот власного виробництва, який являє со-
бою чавунний брухт (ливникові системи тощо). Після
розплавлення цієї частки шихти у рідкий метал заван-
тажують карбюризатор, сталевий брухт і феросплави
по мінімуму, щоб меншими були їх втрати внаслідок
угару.
Стосовно забезпечення ливарних підприємств
металобрухтом необхідно торкнутися ще одного сут-
тєвого питання у цій темі. Слід зазначити, що при ви-
плавленні високоякісних чавунів і сталей, одним із
можливих видів сировини, окрім металобрухту, може
бути гаряче брикетоване залізо (ГБЗ). Нині основним
споживачем ГБЗ є електросталеплавильне вироб-
ництво. Доля ГБЗ у металошихті для електросталей
може досягати 70 %. Переваги ГБЗ відносно інших
компонентів металошихти полягають у стабільності
хімічного складу; низькому вмісті небажаних домі-
шок (сірки, фосфору); відсутності супутніх елемен-
тів, зокрема, кольорових металів; у високій насипній
щільності; можливості завантаження в електропіч без
зупинки процесу плавлення. Згідно з літературними
джерелами, використання ГБЗ в електропечах має
і недоліки. А саме, ГБЗ збільшує витрати електро-
енергії та тривалість плавки, знижує продуктивність
виробництва.
Перспективи заміщення у ливарному виробництві
металобрухту гаряче-брикетованим залізом визна-
чається технологічними і економічними обставинами
– цінами на металобрухт, чавун, ГБЗ, які на світових
ринках постійно змінюються. В Україні ціна брухту
чорних металів зазвичай нижче, ніж в інших країнах.
Дефіциту металобрухту на внутрішньому українсько-
му ринку не очікується. Можна прогнозувати лише
збільшення обсягів брухту високолегованої сталі (вій-
ськового металобрухту). В цих умовах постає задача
щодо використання брухту високолегованої сталі за-
мість феросплавів для коригування хімічного складу
чавуну. Але ця задача виходить за межі даної статті.
З технологічної точки зору необхідність заміни ме-
талобрухту на ГБЗ при виготовленні литва може ви-
никнути лише при виготовленні високоякісної сталі, в
хімічному складі якої жорстко обмежено вміст шкід-
ливих домішок кольорових металів. В загальному
обсязі металопродукції, що виробляється в Україні,
високоякісна спецсталь, яка потребує при виплавлені
особливо чистої шихти, складає малий процент. Од-
нозначно, що використання ГБЗ спростило б виплав-
лення високоякісного чавуну. Але даних про викорис-
тання у промисловості ГБЗ для виплавки ливарного
чавуну, схоже, немає. Організація виробництва ГБЗ
в Україні в найближчі роки не планується. Не виклю-
чено, що в довгостроковій перспективі виробництво
ГБЗ у світі буде розширено, і цей продукт будуть за-
стосовувати при виплавленні високоякісних сталі та
чавуну, призначених для виготовлення литва відпо-
відального призначення. На нинішньому етапі розви-
тку промисловості України проблем із забезпеченням
ливарних підприємств брухтом чорних металів не ви-
никає і не передбачається.
При вирішенні завдання забезпечення заданого
складу чавуну доцільно (рекомендується) запрова-
дити поняття «коефіцієнти вагомості» кожного хіміч-
ного елемента. Залежно від вхідних умов, виробничої
ситуації на підприємстві, сортаменту ливарної про-
дукції, яка виготовляється, та вимог до її якості, пара-
метрів індукційної тигельної печі, наявності сировини,
необхідної для виплавлення чавуну, режимів плавки,
які застосовуються, та інших факторів, можливі різні
підходи до визначення коефіцієнтів вагомості кожно-
го хімічного елемента в складі чавуну. Зокрема, при
визначенні коефіцієнтів вагомості (впливу, значущос-
ті) хімічних елементів у чавуні, призначеному для ви-
готовлення деталей рухомого залізничного транспор-
ту (гальмових колодок, «клину Ханіна» тощо), під час
регулювання їх вмісту у розплаві слід орієнтуватися,
наприклад, на один чи декілька наступних пріорите-
тів.
1. Трудність забезпечення вимог стандарту щодо
необхідної точності вмісту хімічного елемента в скла-
ді чавуну.
2. Вплив вмісту хімічного елемента в складі чавуну
на його структуру (розміри і форму включень графіту
та ін.), властивості (твердість, міцність), експлуата-
ційні характеристики (коефіцієнти тертя, зносостій-
кість) тощо.
3. Техніко-економічні показники використання кон-
кретного елемента. А саме – його вартість, витрати
на застосування при формуванні шихти і безпосе-
редньо у процесі плавки чавуну. Стосовно шихти – то
оцінку витрат на закупівлю більш якісної й, відповід-
но, вартісної сировини. Тобто витрат, пов’язаних із
закупівлею та використанням різних феросплавів та
їхньою ціною на ринку.
4. Застереження щодо ризиків, пов’язаних з мож-
ливим непопаданням (невідповідністю) одного кон-
кретного чи декількох хімічних елементів у складі
чавуну в діапазон значень, регламентованих стан-
дартом на ливарну продукцію. Це застереження
стосується умов, коли коригування хімічного складу
чавуну відбувається безпосередньо в процесі плавки
на підставі результатів контролю вмісту хімічних еле-
ментів у пробі металу, відібраної з розплаву. Найбіль-
23ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
вмісту хімічних елементів продовжують. Водночас
в разі непопадання в заданий діапазон вмісту будь-
якого важливого, на погляд технолога, елемента, він
має можливість внести корективи у значення ваго-
вих коефіцієнтів і повторити процедуру оптимізації.
Передбачається можливість уточнення точок приці-
лювання при регулюванні вмісту хімічних елементів,
значень вагомих коефіцієнтів, заміни матеріалів, які
використовують для корекції складу розплаву чавуну,
на більш ефективні. Стосовно запропонованого вище
критерію оптимізації Kопт підкреслимо, що завдяки за-
стосуванню коефіцієнтів вагомості він набуває влас-
тивості економічного характеру наряду з іншими пере-
вагами. Наприклад, порівняно з критерієм оптималь-
ності у вигляді мінімальної вартості шихти [5, с. 159].
Зазначимо, що за точки прицілювання при корек-
ції конкретного хімічного елемента у чавуні прийма-
ються попередньо вибрані, виходячи з технологічних,
економічних чи будь-яких інших міркувань [6–7], зна-
чення вмісту цього елемента. Зокрема на першому
етапі процедури формування шихти за точку приці-
лювання доцільно приймати середні значення вмісту
елементів у діапазонах, передбачених стандартами
на чавун, на ливарні вироби з чавуну та феросплави
і карбюризатори. При наявності бази даних, накопле-
ної ливарним підприємством щодо хімічного складу
раніше виготовлених партій чавуну відповідного чи
аналогічного сортаменту, слід орієнтуватися на цю
інформацію. Далі – точки прицілювання уточнюються
відповідно до результатів розрахунків.
При поточному виробництві чавуну в індукційних
тигельних печах попереднього покоління, технологія
виплавлення може передбачати неповний злив рід-
кого металу по завершенню плавки. Тим самим ство-
рюється стартовий залишок розплаву чавуну в печі,
так зване «болото» [5 та ін.]. Нова порція шихти за-
вантажується на цей залишок розплаву. В першому
наближенні залишок розплаву з печі можна віднести
до складу шихти, призначеної для виплавки чергової
партії металу. Таким чином, у шихту для виплавлення
чавуну входять металобрухт, зворот власного вироб-
ництва (ливникові системи тощо), феросплави, кар-
бюризатори.
Хімічний склад залишку розплаву («болота») в пе-
чі є відомим. Зворот ливарного виробництва продук-
ції однакового сортаменту зберігається на заводах
окремо. Тому хімічний склад звороту, який займає
значну частку (30–35 %) у шихті, також є відомим.
При цьому кожне ливарне підприємство встановило
для себе орієнтовний склад шихти відносно виплав-
лення чавуну конкретного сортаменту і виготовлення
з нього ливарних виробів. Зазначене спрощує розра-
хунок обсягу компонентів шихти.
На сучасних ливарних заводах, зокрема на ТОВ
«М-ЛИТ», технологія виробництва чавуну передбачає
повне зливання розплаву з 3-хтонної індукційної ти-
гельної печі. На цьому заводі шихта для виплавлення
чавуну, призначеного для виготовлення гальмових
колодок, складається з (приблизно) 1 т звороту влас-
ного виробництва, 2 т сталевого брухту, 85 кг карбю-
ризатора (бою електродів), 65 кг феросиліцію ФС65 і
шим ризиком, скоріше за все, слід вважати переви-
щення вмісту будь-якого хімічного елемента в чавуні,
яке потребує зливу з ванни певної частки розплаву,
щоб створити умови для продовження коригування
складу рідкого металу шляхом внесення у розплав
додаткової порції металобрухту чи іншої сировини.
Досвід одного із ливарних заводів України свідчить,
що при виплавлені чавуну, призначеного, наприклад,
для виготовлення гальмових колодок і «клину Хані-
на» для залізничного рухомого складу, вміст кремнію
тримають близько до верхньої межі [6].
З урахуванням ступеня важливості кожного еле-
мента у чавуні за критерій оптимальності доцільно
приймати середньозважену похибку його хімічного
складу, отриманого в результаті доводки, корекції
розплаву чавуну до певної кондиції відносно заданих
«точок прицілювання». Похибка визначається з ура-
хуванням коефіцієнту вагомості кожного елемента
у складі чавуну згідно з попередньою оцінкою його
важливості у виробництві конкретної продукції. Тобто
відхилення (похибка) по кожному хімічному елементу
помножується на відповідний коефіцієнт вагомості.
Далі розраховується середнє значення. Коефіцієнти
вагомості нормуються. Сума усіх коефіцієнтів по еле-
ментам, які контролюються, дорівнює одиниці. Зазна-
чений критерій оптимізації має вигляд:
де Kопт – критерій оптимізації процесу корекції хіміч-
ного складу чавуну або складу шихти; DEi – відхи-
лення вмісту Ei і-того елемента від «точки прицілю-
вання» Eч, яким є бажаний вміст елемента в чавуні,
DEi = |Eч – Ei|; εi – похибка розрахунку, εi = DEi / Eч;
pl – коефіцієнт вагомості l-того хімічного елемента у
складі чавуну. Величини Eч, Ei, DEi вмісту елементів
визначені у відсотках; l – номер хімічного елемента,
що контролюється, де l = 1...m; m – кількість елемен-
тів у чавуні (шихті), які враховуються в аналізі; [εl] –
припустиме значення похибки розрахунку. Значення
критерію Kопт визначаються вибором величин pl і роз-
рахунковими величинами і εl, Kопт → 0 при εl → 0. При
цьому має виконуватися умова, що εl ≤ [εl].
Процес чисельного моделювання розрахунку хі-
мічного складу шихти або розплаву чавуну закінчу-
ється за умови, що різниця між останнім і попереднім
значеннями коефіцієнта Kопт не перевищує заданої
похибки його визначення. В результаті використання
наведеного критерію оптимізації здійснюється пере-
вірка попадання вмісту усіх хімічних елементів, які
контролюються у складі чавуну, в їх діапазони, що
регламентовані стандартом на продукцію. Отрима-
на інформація про розмір похибки в хімічному складі
розплаву чавуну дозволяє технологу обґрунтовано
приймати рішення про закінчення процесу чисельно-
го регулювання хімічного складу розплавленого ме-
талу. В разі невідповідності різниці послідовно отри-
маних величин критерію оптимізації Kопт заданому
значенню допустимої похибки розрахунків, корекцію
24 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
22 кг феромарганцю ФМн78. Відповідно при конкре-
тизації, уточненні складу шихти відносно її орієнтов-
ного складу задача постає у врахуванні непостійності
вмісту хімічних елементів в металобрухті, карбюриза-
торі, феросплавах та їх угару в процесі плавки.2
Хімічний склад феромарганцю визначений дер-
жавним стандартом України ДСТУ 3547-97. Феросилі-
цію – ДСТУ 4127:2002. При виплавленні в індукційних
тигельних печах чавуну, призначеного для виготов-
лення гальмових колодок і «клину Ханіна», викорис-
товують зазвичай феросиліцій ФС65 і феромарганець
ФМн78. В табл. 1 показано вимоги до хімічного скла-
ду феросиліцію ФС65 відповідно до ДСТУ 4127:2002
та хімічний склад трьох партій-плавок феросиліцію
такої марки, який вироблено на одному з феросплав-
них заводів України.
Дані табл. 1 свідчать, що вміст вуглецю, сірки,
фосфору в феросиліції не буде суттєво впливати
на хімічний склад чавуну, який виплавляється. Вміст
марганцю має той самий порядок, що й його вміст
у чавуні, призначеному для виготовлення, зокрема,
гальмових колодок типу «М» та «клину Ханіна» рухо-
мого складу залізниці [6]. Але враховуючи, що част-
ка феросиліцію в шихті для виплавлення чавуну є
відносно невеликою ~ 2...3 %, то на першому етапі
підготовки шихти достатньо орієнтуватися на серед-
ні значення вмісту Mn у складі феросиліцію. В той
самий час, діапазон розкиду значень вмісту кремнію
у складі феросиліцію є суттєвим порівняно з серед-
нім значенням його вмісту. Судячи із даних табл. 1,
діапазон розподілу величин вмісту кремнію повною
мірою використовується при виробництві феросилі-
цію в промисловості. Саме тому при удосконаленні
методики визначення складу шихти для виплавлення
чавуну бажано і доцільно враховувати нестабільність
вмісту кремнію у феросиліції.
В табл. 2 надано інформацію відносно вимог ДСТУ
3547-97 щодо хімічного складу феромарганцю елек-
тролітичного високовуглецевого ФМн78 та трьох пар-
тій – плавок промислового виробництва цього сплаву.
Згідно з даними табл. 1 і 2 вміст сірки у складі
феросиліцію ФС65 і феромарганцю ФМн78 не є за-
грозливим з позицій якості чавуну і виробів з нього.
Вимоги ДСТУ 3547-97 до вмісту фосфору (не більше
0,7 %) відповідають діапазону (0,4...0,9) %, передба-
ченому ГОСТ 30249-97 на чавун для гальмових коло-
док типу «М». Тому при визначенні складу шихти для
виплавлення такого чавуну достатньо орієнтуватися
на результати контролю вмісту фосфору та інших хі-
мічних елементів у складі чавуну конкретної плавки
– партії або приймати за точку «прицілювання» гра-
ничне значення 0,7 % вмісту Р згідно з ДСТУ (табл. 2).
Величини вмісту Mn, С, Si мають широкі діапазо-
ни розподілу, і це треба враховувати при формуванні
складу шихти. Варто зазначити, що ДСТУ 3547-97 не
обмежує вміст С і Si мінімально допустимими величи-
нами у складі феромарганцю. Відповідно з метою по-
силення точності визначення обсягів (маси) Mn, С, Si
при формуванні шихти для виплавлення чавуну не-
обхідно враховувати в ймовірнісному підході параме-
три розподілу вмісту цих елементів у феросплавах.
При застосуванні критерію Kопт для визначення маси
компонентів шихти немає ризику перебільшення вміс-
ту будь-якого елемента в складі чавуну і зливу розпла-
ву, оскільки оптимізація шихти відбувається шляхом
моделювання процесу виплавки, і завжди є можливість
уточнити вхідні дані, точки прицілювання, вагові коефі-
цієнти і перерахувати результат ще до початку плавки.
2Автор статті вдячна директору заводу Є.С. Попову за консультації та допомогу в проведенні досліджень.
Таблиця 1
Масова частка елементів у складі феросиліцію ФС65, не більше, %
Елементи Si С S P Al Mn Сr Fe
ДСТУ 63…68 0,2 0,02 0,05 2,5 0,5 0,5 –
1 68 0,03 0,01 0,04 1,0 0,2 0,2 29
2 65 0,05 0,01 0,04 1,5 0,3 0,2 32
3 63 0,20 0,02 0,05 2,5 0,5 0,5 33
Примітка: Згідно з ДСТУ вміст Si складає від 63 до 68 % включно; Fe – все інше. Цифрами 1, 2, 3 позначено партії-плавки феросиліцію.
Таблиця 2
Масова частка елементів у складі феромарганцю ФМн78, не більше, %
Елементи Mn С Si
P
S Fe
А Б
ДСТУ 75…82 7,0 6,0 0,05 0,70 0,03 –
1 81 6,0 0,5 0,55 0,02 11
2 77 6,5 1,0 0,6 0,02 14
3 75 5,5 4,5 0,7 0,02 14
Примітка: Згідно з ДСТУ 3547-97 вміст Mn складає понад 75 до 82 % включно; Fe – інше.
25ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
Висловлені аргументи і досвід ливарних підпри-
ємств дозволяють рекомендувати зокрема для ви-
плавлення синтетичного чавуну, призначеного для
виготовлення гальмових колодок типу «М», згід-
но з вимогами ГОСТ 30249-97 (вміст елементів, %:
С = 2,7...3,4; Si = 0,7...1,0; Mn = 0,4...0,9; P = 0,4...0,9;
S – не більше 0,20) наступний, орієнтовний у першо-
му наближенні (прицілюванні), склад шихти. Так, за-
лишок розплаву в печі (болото) плюс зворот власного
виробництва мають дорівнювати ~ (30...35) % в обся-
зі шихти; сталевий брухт (60...65) %; карбюризатори
(2,5...3,0) %; феросиліцій ФС65 (2,0...2,5) %; феро-
марганець ФМн78 ~ 1 %. Звертаємо увагу, що «бо-
лото» у печі, як і зворот власного виробництва, вва-
жаються матеріалами з відомим хімічним складом. В
шихті має бути не менше (2,5...3,0) % карбюризато-
ра, необхідного для навуглецьовування розплаву при
плавленні чавуну в індукційних тигельних печах, вра-
ховуючи його угар і відносно повільне засвоювання
в розплаві. В разі виробництва чавуну за технологі-
єю з повним зливом розплаву, то (30...35) % в шихті
складає зворот власного виробництва, і цей зворот
завантажується у піч в першу чергу. Карбюризатор
подається вже у розплавлений метал. У зв’язку з тим,
що навуглецьовування чавуну шляхом внесення кар-
бюризатора в розплав утруднено, то вміст карбюри-
затора в шихті слід підтримувати на верхній межі, а
саме на рівні ~ 3 %. Підкреслимо, що карбюризатор
завантажується у розплав в першу чергу. Також від-
значимо, що засвоєння карбюризатора (бою електро-
дів) дорівнює (90...95) %, а швидкість його засвоєння
у розплаві – (0,1...0,13) %/хв [5].
При визначені складу шихти для виплавлення
чавуну будь-якого сортаменту необхідно враховува-
ти угар хімічних елементів під час плавлення, перш
за все вуглецю, кремнію, марганцю. Дослідженнями,
виконаними на ливарному заводі «М-ЛИТ», встанов-
лено, що при розрахунках шихти для виплавлення
чавуну, призначеного для виготовлення гальмових
колодок і «клину Ханіна», угар вуглецю слід очікувати
на рівні ~ 5 %, кремнію ~ 3 %, марганцю ~ 10 % [8].
На відміну від процедури регулювання складу ча-
вуну на підставі результатів хімічного аналізу проби
металу, відібраної безпосередньо з розплаву, коли ві-
домо скільки не вистачає вмісту конкретного елемен-
та в чавуні, то при корекції складу шихти за вхідну
інформацію щодо Mn і Si слід приймати вимоги стан-
дарту до вмісту цих елементів у продукції, яка буде
виготовлятися з виплавленого чавуну.
Дана робота розвиває ідеї, висловлені в статтях
[6, 7]. Тому за аналогією використаємо ті ж самі по-
значення, що і в цих статтях. Масу коригуючої до-
бавки позначимо DqM, кг; масу розплаву чавуну в печі
q, кг; необхідний вміст хімічного елемента в чавуні
Eч, %; вміст елемента в матеріалі, який застосовуєть-
ся для коригування складу чавуну, Eм, %; величина,
на яку необхідно збільшити вміст елемента, DE, %;
величина угару – Уг, %.
Розглянемо такий підхід на прикладі вмісту мар-
ганцю в чавуні для гальмових колодок залізничного
транспорту. Згідно з вимогами ГОСТ 30249-97 діапа-
зон вмісту Mn у чавуні для виготовлення цих ливар-
них виробів складає (0,4…0,9) %, вуглецю – (2,7...3,4),
кремнію – (0,7...1,0) відсотків.
При виплавлені, зокрема, трьох тонн чавуну у су-
часній 3-хтонній індукційній тигельній печі за техноло-
гією з повним зливом розплаву будемо вважати, що
зворот власного виробництва важить 1 т у шихті і не
потребує коригування його хімічного складу. Приблиз-
но 2 т з 3-х тонн загального обсягу шихти – це стале-
вий брухт, хімічний склад якого оцінюється лише орі-
єнтовно. Таким чином, для забезпечення в 2-х тоннах
шихти вмісту вуглецю на рівні ~ 3,0 % необхідно пе-
редбачити в ній 66,5 кг карбюризатора, в якому вміст
вуглецю складає 95 %, а угар очікується на рівні ~ 5 %.
Формула розрахунку маси матеріалу, який вно-
ситься в шихту або розплав для забезпечення в ча-
вуні необхідного вмісту конкретного елемента, має
вигляд [6, 7]:
(1)
У прикладі, що розглядається, при визначенні
необхідної маси карбюризатора в шихті, який буде
завантажуватися в піч після завантажування звороту
власного виробництва, приймаємо масу шихти, що
коригується, на рівні q = 2000 кг. Вміст вуглецю в кар-
бюризаторі Eм = 95 %, угар Уг = 5 %. Вміст вуглецю
в чавуні має дорівнювати Ēч = 3 % (тільда над змін-
ною тут і далі означає середнє значення показника).
За цих вхідних даних в шихті має бути DqM = 66,5 кг
карбюризатора. Зазначимо, якщо орієнтуватися на
мінімальну величину вмісту вуглецю в чавуні Eчmin =
= 2,7 %, то DqM = 59,8 кг. При Eчmax = 3,4 % маємо
DqM = 99,7 кг. Якщо орієнтуватися на q = 3000 кг, але
на мінімальний вміст вуглецю в чавуні Eчmin = 2,7 %,
то отримаємо DqM = 89,8 кг. В разі, коли вміст вугле-
цю розраховується на масу шихти q = 3000 кг, то за
формулою (1) для тих самих вхідних даних і Eч = 3 %,
отримаємо DqM = 89,8 кг. Тобто величину, близьку до
маси 85 кг карбюризатора в шихті, якої дотримуються
на ливарному заводі «М-ЛИТ».
При розрахунку в першому приближенні маси
феромарганцю ФМн78 в шихті приймаємо такі ви-
хідні дані: q = 2000 кг; Ēч = 0,65 %, Ēм = 78,5 %, Уг =
= 10 %. В результаті за формулою (1) отримуємо DqM =
= 18,4 кг. При q = 3000 кг, DqM = 27,6 кг. Якщо при-
ймати мінімальний вміст марганцю в чавуні Eчmin =
= 0,4 %, то DqM = 17 кг. При Eчmax = 0,9 %, DqM = 38,3 кг.
Якщо розрахунок здійснюється на масу шихти 2000 кг,
то останні величини DqM треба помножити на 2/3. Во-
чевидь, величина 22 кг феромарганцю в шихті, яка
приймається за орієнтир при формуванні шихти на
заводі «М-ЛИТ», згідно з формулою (1), має забезпе-
чувати при q = 3000 кг і Ēм = 78,5 % вміст Mn в чавуні
приблизно 0,5 %.
Подальша процедура визначення маси феромар-
ганцю у шихті передбачає оцінку впливу його неста-
більності. Відповідно до методики, викладеної в на-
ших роботах [6, 7], формулу (1) визначимо відносно
26 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
вмісту Eч хімічного елемента в чавуні, що розгляда-
ється:
(2)
Формула (2) призначена для використання при роз-
рахунках складу шихти. Вона відрізняється від анало-
гічної формули зі статті [6] відсутністю показника Eз
вмісту елемента в пробі чавуну, відібраної з розплаву.
Нестабільність вмісту елемента, зокрема Mn в фе-
ромарганці ФМн78, оцінюємо у ймовірнісному підході
з використанням методу Монте-Карло за алгоритмом,
запропонованим в нашій роботі [7]. Величину маси
DqM феромарганцю, вибрану за точку прицілювання
з наведених вище значень, спочатку будемо вважа-
ти постійною, як і величини q та Уг. До речі, величину
угару Уг можна вважати випадковою, якщо відомий
діапазон її розподілу (коливань) при виплавленні ча-
вуну певного сортаменту. Але бажано, у алгоритмі,
що розглядається, величину угару Уг представити як
функцію параметрів процесу плавлення чавуну (тем-
ператури розплаву, тривалості процесу тощо). Такий
підхід буде опосередковано враховувати ще на стадії
підготовки шихти вплив режимів плавки на хімічний
склад чавуну, що виробляється.
Для оцінки прийнятності орієнтовно вибраної у
першому наближенні величини маси DqM феромар-
ганцю в шихті організуємо цикл розрахунків методом
Монте-Карло значень Eчi
при ймовірнісних величинах
EMi
вмісту марганцю в межах діапазону його можли-
вих величин в партіях цього сплаву; і – номер варі-
анта розрахунку Eчi
, і = 1…N, де N – кількість циклів
розрахунків із змінною і. В результаті отримаємо поле
розподілу величини Eч, для якого визначено середнє
значення Ēчi
, середнє квадратичне відхилення σEчi
,
інші параметри розподілу. Тут і далі σ – середнє ква-
дратичне відхилення. Діапазон розподілу величини
Eчi
дорівнює від Eчimin до Eчmax. При нормальному роз-
поділі Гаусса величини Eчi
будемо мати Eчimin = Ēчi
–
– 3σEчi
і Eчimax = Ēчi
+ 3σEчi
. Далі порівнюємо величини
Ēчi
, Eчimin і Eчimax з аналогічними показниками поля роз-
поділу величини Eч в стандарті на вироби з чавуну і
вирішуємо прийнятна чи неприйнятна вибрана маса
DqM феромарганцю в шихті. Якщо величина є при-
йнятною, тоді переходимо до розрахунку маси в ших-
ті матеріалу, який забезпечує вміст іншого елемента
в чавуні. В прикладі, що розглядається, це кремній.
Якщо результат співставлення розрахункових по-
казників поля розподілу величини Eчi
з аналогічними
показниками маси розподілу Eч, регламентованому
стандартом не влаштовує, то уточнення величини
DqM феромарганцю у шихті продовжується. Згідно з
розробленим алгоритмом для такого випадку перед-
бачено цикл розрахунків за змінною j. Тобто цикл роз-
рахунків по змінній і будемо вважати внутрішнім, а за
змінною j – зовнішнім, де j = 1…k. При такому під-
ході викладені вище розрахунки по змінній і будемо
вважати виконаними при j = 1. Далі будемо викорис-
товувати подвійні індекси і, j при позначенні змінних.
В розрахунках при j = 2 будемо користуватися уточ-
неною в більший чи менший бік величиною DqM j=2
.
Величини q і Уг пропонуємо вважати незмінними
(Const). В результаті розрахунків величини Eч у вну-
трішньому циклі за змінною і = 1…n отримаємо масив
значень величини Eчi j=2. Далі розраховуємо параме-
три поля розподілу, а саме середнє значення Ēчi
j=2,
середнє квадратичне відхилення σEчi j=2, мінімальне і
максимальне значення величини Eчi j=2 і зіставляємо
їх з аналогічними показниками Eч, регламентованими
стандартом. Врешті-решт цикл розрахунків продо-
вжуємо при j = 3 і так далі, поки підібрана величина
маси феромарганцю DqMj
, нас буде влаштовувати.
Тобто при використані якої в розрахунках за форму-
лою (2) і наявній нестабільності вмісту Eм марганцю
в феросплаві не буде забезпечуватися необхідний
вміст Eч цього елемента в чавуні.
Аналогічним чином за формулою (2) розрахову-
ється маса феросиліцію ФС65 в шихті, необхідна для
отримання в чавуні вмісту кремнію заданої величини
в межах діапазону (0,7…1,0) %. При розрахунках ма-
си феросиліцію в шихті слід враховувати обсяг крем-
нію, який буде внесений в шихту з феромарганцем.
Нагадаємо, що згідно з табл. 2 у складі феромарган-
цю ФМн78 налічується до 6 % кремнію.
На кожному черговому етапі викладеного алго-
ритму розрахунки маси компонентів у шихті завер-
шуються оцінкою величини критерію оптимізації Kопт.
Попередньо необхідно визначити (встановити) коефі-
цієнти вагомості кожному елемента в складі чавуну.
Наприклад, при виплавленні чавуну для виготовлен-
ня гальмових колодок раціонально присвоїти такі кое-
фіцієнти вагомості вуглецю, кремнію і марганцю: рС =
= 0,3; рMn = 0,3; рSi = 0,4. Надання кремнію більшої ве-
личини коефіцієнта вагомості рSi обумовлено тим, що
в промисловій практиці гістограма розподілу кремнію
суттєво зміщена у бік максимально допустимих вели-
чин вмісту Si і не рідкісні випадки, коли вміст кремнію
в чавуні перевищує граничне значення 1 % [6]. Тому
вмісту цього елемента у складі чавуну доцільно при-
діляти посилену увагу.
Підкреслюємо, що збільшення коефіцієнта ваго-
мості конкретного елемента має передбачати підви-
щення точності його визначення порівняно з точністю
розрахунків вмісту інших елементів.
По-друге, при розрахунку маси компонентів ших-
ти, як і при корекції вмісту хімічних елементів у роз-
плаві в процесі плавки, необхідно правильно визна-
чити «точки прицілювання» щодо вмісту кожного еле-
мента в складі чавуну. Прицілювання можна вести за
середнім значенням вмісту елемента (елементів) в
його діапазоні, регламентованому нормативними до-
кументами (стандартом, технічними умовами, тощо).
За точки прицілювання можна приймати також міні-
мальні чи максимальні величини вмісту елемента в
обумовленому стандартом діапазоні. В таких випад-
ках необхідно зазначати мінімальні Ei,j min = Ēi,j – 3σEi,j
та максимальні Ei,j max = Ēi,j + 3σEi,j величини, отримані
в результаті розрахунків. В будь-якому разі до вели-
чин вмісту кожного елемента, який розраховується,
застосовують обмеження:
27ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
Eчн ≤ Ei,j ≤ Eчв, (3)
де Ei,j – вміст хімічного елемента, визначений в ре-
зультаті розрахунків; Eчн і Eчв – нижня і верхня межі
вмісту елемента, регульовані стандартом на чавун,
Eчн = Eчmin, Eчв = Eчmax.
По кожному елементу точки прицілювання і обме-
ження встановлюють індивідуально.
При моделюванні різних варіантів формування
шихти не обов’язково дотримуватися умов (3), оскіль-
ки похибка εi враховує модуль величини DEi,j. При ко-
рекції хімічного складу чавуну безпосередньо у про-
цесі його плавки умови (3) діють жорстко без будь-
яких виключень чи пом’якшення.
Особливої уваги потребує питання вибору величи-
ни коефіцієнтів важливості (вагомості) хімічних еле-
ментів при визначенні маси компонентів у шихті чи
при регулюванні складу чавуну в процесі плавки.
Чотири елементи, а саме: С, Si, Mn, P можна вва-
жати домінуючими при регулюванні хімічного скла-
ду чавуну різного сортаменту. Меншу увагу серед
них, в цьому аспекті привертає фосфор, оскільки
при виготовленні, зокрема «клину Ханіна», діапазон
(0,019…0,059) % його вмісту згідно з даними табл. 3
статті [6], на практиці знаходиться відносно далеко
від граничного значення (не більше 0,2 %). При ви-
готовлені іншої ливарної продукції висновки щодо
цього питання можуть бути іншими. Взагалі, ведучим
елементом при регулюванні хімічного складу чавуну
доцільно визнавати той елемент, вміст якого в роз-
плаві найбільше відрізняється від необхідного рівня,
а тому потребує додавання в розплав найбільшого
обсягу коригуючого матеріалу. Окрім того, важче ін-
ших регулюється, оскільки, наприклад, матеріал ха-
рактеризується великою тривалістю розплавлення і
засвоєння.
Нерідко ведучий (домінуючий) елемент треба ви-
значати на підставі сумісного впливу двох або більшої
кількості факторів. Така оцінка передбачена викладе-
ною вище процедурою регулювання хімічного складу
чавуну. Домінуючим елементом, який потребує пер-
шочергового розрахунку необхідного обсягу коригую-
чого матеріалу, що додається в розплав, доцільно ви-
значити той, при коригуванні вмісту якого вимушено
змінюється вміст інших елементів у чавуні, оскільки в
легуючому матеріалі вони присутні.
При визначені домінуючого елемента і наданні йо-
му найбільшого коефіцієнта вагомості можна виходи-
ти також з позиції мінімізації витрат на виготовлення
продукції. Наприклад, як зазначено вище, на одному
з ливарних заводів для виплавлення в індукційній ти-
гельній печі 3-х тонн чавуну, використовують 65 кг фе-
росиліцію ФС65 і 28 кг феромарганцю ФМн78. Тобто
феросиліцію витрачають в ~ 3 рази більше, ніж феро-
марганцю. При цьому враховують, що ФС65 дорожче
ФМн78 за цінами на кінець 2021 – початок 2022 року
в 1,4 рази. В таких умовах, для зменшення сумарних
витрат на феросплави при виплавлені чавуну, най-
більшу увагу слід приділяти кремнію ще на стадії
формування складу шихти.
Викладений алгоритм передбачає можливість
уточнення вхідних параметрів (характеристик мате-
ріалів шихти, точок прицілювання, коефіцієнтів ва-
гомості тощо) автоматично і вручну. Оптимізувати
можна не тільки вміст окремих хімічних елементів у
чавуні, а й відношення вмісту певних елементів, на-
приклад відношення С/Si. Алгоритм дозволяє моде-
лювати і оптимізувати параметри процесу модифіку-
вання чавуну та сталі. Зазначена оптимізація викону-
ється протягом декількох секунд.
Висновки
Розроблено ідеологію і алгоритм визначення ма-
си компонентів у шихті для виплавлення чавуну в
індукційних тигельних печах і виготовлення з нього
гальмових колодок та «клину Ханіна» залізничного
транспорту. Сформульовано основні підходи щодо
врахування в ймовірнісному аспекті зі застосуванням
методу Монте-Карло нестабільності вмісту хімічних
елементів у шихті. Введено поняття «коефіцієнти ва-
гомості», які характеризують відносний ступінь важ-
ливості кожного хімічного елемента у чавуні, а також
поняття «точки прицілювання» при корекції його хі-
мічного складу. Запропоновано критерій оптимізації
(оптимальності), який базується на застосуванні кое-
фіцієнтів вагомості вмісту кожного хімічного елемен-
та у складі чавуну та дозволяє враховувати їх вплив
на якість литва і на техніко-економічні показники ви-
робництва. Запропоновано при виплавленні чавуну,
призначеного для виготовлення зазначених ливарних
виробів, надавати найбільші коефіцієнти вагомості
кремнію і марганцю. Рекомендовано ступінь угару
елементів у процесі плавки чавуну враховувати ще
на стадії формування шихти. Представлено орієнто-
ваний склад шихти для виплавлення синтетичного
чавуну відповідного призначення і порядок заванта-
ження шихтових матеріалів в індукційні тигельні печі.
28 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
Надійшла 10.06.2022
1. Сіренко К.А. Ливарне виробництво: невирішені задачі та перспективи розвитку. «Перспективні технології, матеріали
й обладнання в ливарному виробництві». Матеріали VIII Міжнародної науково-технічної конференції. Краматорськ:
ДДМА, 21–24 вересня 2021. С. 109–111.
2. Ямшинський М.М. Жаростійкі та зносостійкі ливарні сплави на основі заліза для роботи в екстремальних умовах /
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук. Київ: ФТІМС НАН України. 2019. 510 с.
3. Ямшинський М.М., Грядовський І.О. Програмне забезпечення для розрахунку шихти для сталей. V Міжнародна науково-
технічна конференція «Нові матеріали і технології в машинобудуванні». Київ, 28–29 травня 2013. С. 144–146.
4. Шумихин В.С., Кутузов В.П., Храмченков А.И., Дибров И.А., Александров Н.Н., Бобро Ю.Г., Пузырьков-Уваров О.В.,
Блошко Н.К. Высококачественные чугуны для отливок. Москва: Машиностроение, 1982. 222 с.
5. Худокормов Д.Н. Производство отливок из чугуна. Минск: «Вышейшая школа», 1987. 198 с.
6. Сіренко К.А., Мазур В.Л. Ідеологія коригування хімічного складу синтетичного чавуну в процесі виготовлення литва.
Метал та лиття України. 2021. Т. 29. № 4 (327). С. 44–54. DOI: https://doi.org/10.15407/steelcast2021.04.044
7. Сіренко К.А. Удосконалення технології коригування хімічного складу чавуну під час плавки в індукційних тигельних
печах. Процеси лиття. 2022. № 1 (147). С. 3–10. DOI: https://doi.org/10.15407/plit2022.01.003
8. Соболь И.М. Метод Монте-Карло. Москва: Наука, 1978. 64 с.
9. Сиренко Е.А. Особенности литейного чугуна для тормозных колодок железнодорожного транспорта. Литье и метал-
лургия. 2022. № 1. С. 43–48. DOI: https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-1-43-48
ЛІТЕРАТУРА
1. Sirenko, K.A. (2021). Foundry production: unsolved problems and prospects of development. “Prospective technologies,
materials and equipment in foundry production”. Proceedings of the VIII International Scientific and Technical Conference.
Kramatorsk: DDMA, September 21–24, 2021, pp. 109–111 [in Ukrainian].
2. Yamshinsky, M.M. (2019). Heat-resistant and wear-resistant foundry alloys based on iron for work in extreme conditions.
Thesis for the degree of Doctor of Technical Sciences. Kyiv: PTIMA NAS of Ukraine, 510 p. [in Ukrainian].
3. Yamshinsky, M.M., Hryadovsky, I.O. (2013). Software for calculating the charge for steels. V International Scientific and
Technical Conference “New Materials and Technologies in Mechanical Engineering”. Kyiv, May 28–29, 2013, pp. 144–146
[in Ukrainian].
4. Shumikhin, V.S., Kutuzov, V.P., Khramchenkov, A.I., Dibrov, I.A., Aleksandrov, N.N., Bobro, Yu.G., Puzyr’kov-Uvarov, O.V.,
Bloshko, N.K. (1982). High quality cast irons. Moscow: Mashinostroenie, 222 p. [in Russian].
5. Khudokormov, D.N. (1987). Manufacture of cast iron castings. Minsk: “Higher School”, 198 p. [in Russian].
6. Sirenko, K.A., Mazur, V.L. (2021). Ideology of adjustment of the chemical composition of synthetic cast iron in the
manufacturing process of casting. Metal and Casting of Ukraine, vol. 29, no. 4 (327), pp. 44–54, doi: https://doi.org/10.15407/
steelcast2021.04.044 [in Ukrainian].
7. Sirenko, K.A. (2022). Improving of technology of adjustment of chemical composition of iron during melting in crucible induction
furnaces. Casting processes, no. 1 (147), pp. 3–10, doi: https://doi.org/10.15407/plit2022.01.003 [in Ukrainian].
8. Sоbоl, I.M. (1978). Monte-Carlo method. Moscow: Nauka, 64 р. [in Russian].
9. Sirenko, E.A. (2022). Features of cast iron for railway brake pads. Foundry production and metallurgy, no. 1, pp. 43–48,
doi: https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-1-43-48 [in Russian].
REFERENCES
Received 10.06.2022
29ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
РУДОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ
Summary
The possibility of increasing the efficiency of regulating the content of chemical elements in cast iron, which is smelted in
induction crucible furnaces, by taking into account the instability of the chemical composition of the charge components is
realised. The ideology and algorithm for determining the mass of charge components for cast iron smelting are formulated,
which are based on taking into account probabilistic estimates of the distribution of chemical elements in the composition of
the components and the application of the Monte Carlo method to take into account the instability of the content of chemical
elements in the charge. Problems related to the supply of scrap metal and other metal raw materials to foundries and their
use in cast iron smelting are considered. The results of the study of the distribution of chemical elements in the composition
of ferromanganese and ferrosilicon, which are used in the charge in the smelting of cast iron intended for the manufacture of
brake pads and “Khanin wedge” of railway transport, are given. A methodology has been developed for taking into account
the probabilistic aspect of the instability of the chemical composition of scrap metal, ferroalloys, and other components of the
charge in determining their number. Criteria of optimization (optimality) of the process of adjusting the chemical composi-
tion of cast iron during its smelting have been developed, which involve the use of “weighting factors” of the content of each
chemical element in cast iron and allow taking into account their impact on casting quality and technical and economic per-
formance. It is proposed to provide the highest weights of silicon and manganese in the smelting of cast iron intended for the
manufacture of these foundries. It is recommended to predict and take into account the degree of burning of elements in the
process of cast iron smelting at the stage of charge formation. The approximate composition of the charge for smelting syn-
thetic cast iron for the purpose and the order of loading charge materials into induction crucible furnaces are determined. The
main goals and objectives at the current stage of development of foundry production in terms of improving the technology,
procedure, order, algorithm for regulating the chemical composition of synthetic cast iron during its smelting are to reduce the
cost of casting. In particular, due to the introduction in practice of methods for adjusting the content of chemical elements in
the cast iron melt and taking into account in the probabilistic aspect of the instability of the quality of the charge components,
especially ferroalloys and scrap metal.
Cast iron, smelting, charge, scrap metal, ferroalloys.
Keywords
K.A. Sirenko, Junior Researcher, e-mail: thermoexp.metal@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-2613-8094
Physico-technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine
(Kyiv, Ukraine)
Development of the method of determining the composition of the charge for smelting cast
iron in induction crucible furnaces3
3The work was performed under the guidance of V.L Mazur, Corresponding Member of the NAS of Ukraine, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Chief Researcher,
e-mail: prof.vlm@ukr.net
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-13 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-23T01:01:09Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/20/fbbeceb8ee6b8a79d4e01aabb8830520.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-132026-07-22T12:09:42Z Development of the method of determining the composition of the charge for smelting cast iron in induction crucible furnaces Розвиток методики визначення складу шихти для виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах Сіренко, Катерина cast iron smelting charge scrap metal ferroalloys чавун плавка шихта металобрухт феросплави The possibility of increasing the efficiency of regulating the content of chemical elements in cast iron, which is smelted in induction crucible furnaces, by taking into account the instability of the chemical composition of the charge components is realised. The ideology and algorithm for determining the mass of charge components for cast iron smelting are formulated, which are based on taking into account probabilistic estimates of the distribution of chemical elements in the composition of the components and the application of the Monte Carlo method to take into account the instability of the content of chemical elements in the charge. Problems related to the supply of scrap metal and other metal raw materials to foundries and their use in cast iron smelting are considered. The results of the study of the distribution of chemical elements in the composition of ferromanganese and ferrosilicon, which are used in the charge in the smelting of cast iron intended for the manufacture of brake pads and “Khanin wedge” of railway transport, are given. A methodology has been developed for taking into account the probabilistic aspect of the instability of the chemical composition of scrap metal, ferroalloys, and other components of the charge in determining their number. Criteria of optimization (optimality) of the process of adjusting the chemical composition of cast iron during its smelting have been developed, which involve the use of “weighting factors” of the content of each chemical element in cast iron and allow taking into account their impact on casting quality and technical and economic performance. It is proposed to provide the highest weights of silicon and manganese in the smelting of cast iron intended for the manufacture of these foundries. It is recommended to predict and take into account the degree of burning of elements in the process of cast iron smelting at the stage of charge formation. The approximate composition of the charge for smelting synthetic cast iron for the purpose and the order of loading charge materials into induction crucible furnaces are determined. The main goals and objectives at the current stage of development of foundry production in terms of improving the technology, procedure, order, algorithm for regulating the chemical composition of synthetic cast iron during its smelting are to reduce the cost of casting. In particular, due to the introduction in practice of methods for adjusting the content of chemical elements in the cast iron melt and taking into account in the probabilistic aspect of the instability of the quality of the charge components, especially ferroalloys and scrap metal. Реалізовано можливість посилення ефективності регулювання вмісту хімічних елементів у чавуні, що виплавляється в індукційних тигельних печах, шляхом врахування нестабільності хімічного складу компонентів шихти. Сформульовано ідеологію і алгоритм визначення маси компонентів шихти для виплавлення чавуну, які засновані на врахуванні ймовірнісних оцінок розподілу хімічних елементів у складі компонентів і застосуванні методу Монте-Карло для врахування нестабільності вмісту хімічних елементів у шихті. Розглянуто проблеми, пов’язані з постачанням металобрухту та іншої металевої сировини на ливарні підприємства і використанням їх при виплавленні чавуну. Наведено результати дослідження розподілу хімічних елементів у складі феромарганцю і феросиліцію, які використовують в шихті при виплавленні чавуну, призначеного для виготовлення гальмових колодок та «клину Ханіна» залізничного транспорту. Розвинуто методику врахування в ймовірнісному аспекті нестабільності хімічного складу металобрухту, феросплавів, інших компонентів шихти при визначенні їх кількості. Розроблено підходи до оптимізації процесу коригування хімічного складу чавуну при його виплавленні, які передбачають застосування «коефіцієнтів вагомості» вмісту кожного хімічного елемента у складі чавуну і дозволяють враховувати їх вплив на якість литва і на техніко-економічні показники його виробництва. Запропоновано при виплавленні чавуну, призначеного для виготовлення зазначених ливарних виробів, надавати найбільші коефіцієнти вагомості кремнію і марганцю. Рекомендовано ступінь угару елементів у процесі плавки чавуну прогнозувати і враховувати ще на стадії формування шихти. Визначено орієнтовний склад шихти для виплавлення сірого чавуну відповідного призначення і порядок завантаження шихтових матеріалів в індукційні тигельні печі. Головні цілі й завдання на нинішньому етапі розвитку ливарного виробництва в частині удосконалення технології, порядку, процедури, алгоритму регулювання хімічного складу чавуну при його виплавленні полягають у зменшенні собівартості литва. Зокрема й за рахунок впровадження на практиці методів коригування вмісту хімічних елементів у розплаві чавуну та врахування у ймовірнісному аспекті нестабільності якості компонентів шихти, насамперед феросплавів і металобрухту. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2023-05-19 Article Article Рецензована Стаття application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/13 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 30 No. 2 (2022): Metal and Casting of Ukraine Метал та лиття України ; Том 30 № 2 (2022): Метал та лиття України 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/13/13 Авторське право (c) 2023 Катерина Сіренко https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | чавун плавка шихта металобрухт феросплави Сіренко, Катерина Розвиток методики визначення складу шихти для виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах |
| title | Розвиток методики визначення складу шихти для виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах |
| title_alt | Development of the method of determining the composition of the charge for smelting cast iron in induction crucible furnaces |
| title_full | Розвиток методики визначення складу шихти для виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах |
| title_fullStr | Розвиток методики визначення складу шихти для виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах |
| title_full_unstemmed | Розвиток методики визначення складу шихти для виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах |
| title_short | Розвиток методики визначення складу шихти для виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах |
| title_sort | розвиток методики визначення складу шихти для виплавлення чавуну в індукційних тигельних печах |
| topic | чавун плавка шихта металобрухт феросплави |
| topic_facet | cast iron smelting charge scrap metal ferroalloys чавун плавка шихта металобрухт феросплави |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/13 |
| work_keys_str_mv | AT sírenkokaterina developmentofthemethodofdeterminingthecompositionofthechargeforsmeltingcastironininductioncruciblefurnaces AT sírenkokaterina rozvitokmetodikiviznačennâskladušihtidlâviplavlennâčavunuvíndukcíjnihtigelʹnihpečah |